JP7547935B2 - Coil and manufacturing method thereof, power transmission device, power receiving device, and power transmission system - Google Patents
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Description
本発明は、コイル及びその製造方法、送電装置及び受電装置並びに電力伝送システムの技術分野に属し、より詳細には、非接触型電力伝送用のコイル及びその製造方法、当該コイルを用いた非接触型の送電装置及び受電装置並びに電力伝送システムの技術分野に属する。 The present invention belongs to the technical fields of coils and their manufacturing methods, power transmission devices, power receiving devices, and power transmission systems, and more specifically, to the technical fields of coils for contactless power transmission and their manufacturing methods, and contactless power transmission devices, power receiving devices, and power transmission systems that use the coils.
近年、例えばリチウムイオン電池等からなる蓄電池を搭載した電気自動車が普及しつつある。このような電気自動車では、蓄電池に蓄えた電力を使ってモータを駆動して移動することとなるため、蓄電池への効率のよい充電が求められる。そこで、電気自動車に対して充電用プラグ等を物理的に接続することなくそれに搭載されている蓄電池を充電する方法として、互いに離隔して対向された受電コイルと送電コイルを用いる、いわゆるワイヤレス電力伝送に関する研究が行われている。ワイヤレス電力伝送の方式としては、一般には、電界結合方式、電磁誘導方式及び磁界共鳴方式等がある。これらの方式を、例えば送受電される電力の周波数、水平及び垂直それぞれの方向の位置自由度並びに伝送効率等の観点から比較した場合、電気自動車に搭載されている蓄電池を充電するためのワイヤレス電力伝送の方式としては、コンデンサを使った電界結合方式又はコイルを使った磁界共鳴方式が有望視されており、これらに対する研究開発も活発に行われている。このような背景技術を開示した先行技術文献としては、例えば下記特許文献1が挙げられる。この特許文献1には、1回巻き(1ターン)のループコイルと、5.5回巻き(5.5ターン)のオープンコイルと、を用いて磁界共鳴方式により電力伝送を行うコイルが開示されている。 In recent years, electric vehicles equipped with storage batteries such as lithium-ion batteries are becoming more common. In such electric vehicles, the motor is driven by the power stored in the storage battery to move, so efficient charging of the storage battery is required. Therefore, as a method for charging the storage battery mounted on the electric vehicle without physically connecting a charging plug or the like to the electric vehicle, research has been conducted on so-called wireless power transmission, which uses a receiving coil and a transmitting coil that are separated and opposed from each other. Wireless power transmission methods generally include an electric field coupling method, an electromagnetic induction method, and a magnetic field resonance method. When these methods are compared from the viewpoints of, for example, the frequency of the power transmitted and received, the degree of freedom in the horizontal and vertical directions, and the transmission efficiency, the electric field coupling method using a capacitor or the magnetic field resonance method using a coil is considered to be promising as a wireless power transmission method for charging the storage battery mounted on the electric vehicle, and research and development into these methods is also being actively conducted. For example, the following Patent Document 1 can be cited as a prior art document disclosing such background technology. This patent document 1 discloses a coil that transmits power by magnetic resonance using a loop coil with one winding (1 turn) and an open coil with 5.5 windings (5.5 turns).
一方、電気自動車用の上述したワイヤレス電力伝送(非接触給電)では、最小でも3.7キロワットの高出力の電力を伝送すること(即ちコイルに流すこと)が必要とされる。よって、このような高出力の電力(電流)を流す結果として導体(コイル)の抵抗が高くなると、ジュール熱の発生によりコイルとしての損失が大きくなり、ワイヤレス電力伝送としての効率を低下させてしまうことになる。 On the other hand, the above-mentioned wireless power transmission (contactless power supply) for electric vehicles requires the transmission (i.e., flowing through the coil) of a high-output power of at least 3.7 kilowatts. Therefore, if the resistance of the conductor (coil) increases as a result of passing such high-output power (current), Joule heat will be generated, resulting in large losses in the coil and reducing the efficiency of wireless power transmission.
そこで、上記コイルとしての損失に起因する抵抗を低減するための手法として、コイル自体を撚り線(いわゆるリッツ線)を用いて構成することが考えられる。しかしながら、上記受電コイルが自家用車に搭載されること等を考慮したとき、上記撚り線を用いてコイルを構成することは、コイルとしての重量増加や高価格化を招来する。この問題点を解決するための従来技術としては、例えば銅からなる薄膜と当該薄膜間を絶縁する絶縁層とを積層したコア材を、いわゆるフォトリソグラフィ法を用いて上記コイルの形状にパターニング及びエッチングすることによりコイルを製造することが考えられる。 As a method for reducing the resistance caused by the loss in the coil, it is considered to construct the coil itself using twisted wire (so-called Litz wire). However, when considering that the receiving coil will be installed in a private vehicle, constructing the coil using the twisted wire leads to an increase in the weight and price of the coil. A conventional technique for solving this problem is to manufacture a coil by patterning and etching a core material made of, for example, thin copper films and insulating layers that insulate the thin films into the shape of the coil using a so-called photolithography method.
しかしながら一般に、銅は高価であり、その資源としての埋蔵量も潤沢とは言えない。これに対し、銅と同様に導電材として使用される材料としては、例えばアルミニウムが挙げられる。ここで一般に、アルミニウムは銅と比較して廉価であり、その資源として埋蔵量も多い。またアルミニウムは銅に対して密度が低く、よって軽量化や低コスト化が可能となる等、上記自家用車等に搭載した場合の利点は多いと考えられる。 However, copper is generally expensive, and its reserves as a resource are not abundant. In contrast, materials that are used as conductive materials like copper include aluminum. Generally, aluminum is cheaper than copper, and its reserves are abundant. Aluminum also has a lower density than copper, which allows for weight reduction and cost reduction, and is thought to have many advantages when used in the above-mentioned private cars, etc.
しかしながらアルミニウムは、銅と比較すると導電率が1/3程度である(即ち抵抗及びそれに対応した損失が大きい)と共に、送受電される電力の入出力用のケーブルをはんだ付けすることが難しいという問題点がある。 However, aluminum has a conductivity that is about one-third that of copper (meaning that the resistance and corresponding losses are large), and there are problems with soldering cables for inputting and outputting power to and from the power source.
そこで本発明は、上記の問題点及び要請に鑑みて為されたもので、その課題の一例は、ワイヤレス電力伝送用のコイルとしてのコストを低減しつつ軽量化することができると共に、コイルとしての伝送効率の向上と動作温度の上昇の防止が可能なコイル及びその製造方法、当該コイルを用いた非接触型の送電装置及び受電装置並びに電力伝送システムを提供することにある。 The present invention has been made in consideration of the above problems and demands, and one example of the objective is to provide a coil and a manufacturing method thereof that can reduce the cost and weight of a coil for wireless power transmission, improve the transmission efficiency of the coil, and prevent an increase in operating temperature, as well as a non-contact power transmission device, power receiving device, and power transmission system that use the coil.
上記の課題を解決するために、請求項1に記載の発明は、非接触型の電力伝送に用いられるコイルにおいて、当該コイルにおける巻回方向に巻回された巻回線であって、前記巻回方向に延在する金属製の芯材と、前記芯材の表面の少なくとも一部を前記巻回方向に沿って被覆する金属製の被覆材と、からなる巻回線を備え、前記芯材の密度が前記被覆材の密度より低く、前記被覆材の導電率が前記芯材の導電率より高く、前記被覆材の厚さが、前記電力伝送に用いられる電流の周波数における表皮効果が表れる表皮厚さの半分以下の厚さである構成される。 In order to solve the above problems, the invention described in claim 1 provides a coil for use in contactless power transmission, comprising a winding wound in a winding direction of the coil, the winding consisting of a metallic core material extending in the winding direction and a metallic coating material that covers at least a portion of a surface of the core material along the winding direction, wherein the density of the core material is lower than the density of the coating material, the conductivity of the coating material is higher than the conductivity of the core material, and the thickness of the coating material is less than half the skin depth at which a skin effect appears at the frequency of the current used for the power transmission .
請求項1に記載の発明によれば、巻回方向に巻回された巻回線が、金属製の芯材及び被覆材からなり、芯材の密度が被覆材の密度より低く、被覆材の導電率が芯材の導電率より高いので、巻回線の表面に近い部分の導電率が高い一方、巻回線の中心に近い芯材の密度が被覆材の密度よりも低いので、コイルとしての損失の低減による伝送効率の向上及び動作温度の上昇の防止と、コイルとしての軽量化及び低コスト化と、を両立させることができる。また、被覆材の厚さが、電力伝送に用いられる電流の周波数における表皮効果が表れる表皮厚さの半分以下の厚さであるので、電力伝送によってコイルに発生する表皮効果に起因する交流抵抗を効果的に低減することができる。 According to the invention described in claim 1, the winding wire wound in the winding direction is made of a metallic core material and a coating material, and since the density of the core material is lower than that of the coating material and the conductivity of the coating material is higher than that of the core material, the conductivity of the portion close to the surface of the winding wire is high, while the density of the core material close to the center of the winding wire is lower than that of the coating material, so that it is possible to simultaneously improve the transmission efficiency by reducing the loss of the coil and prevent the operating temperature from increasing, as well as to reduce the weight and cost of the coil. In addition, since the thickness of the coating material is less than half the skin depth at which the skin effect appears at the frequency of the current used for power transmission, it is possible to effectively reduce the AC resistance caused by the skin effect generated in the coil due to power transmission.
上記の課題を解決するために、請求項2に記載の発明は、請求項1に記載のコイルにおいて、前記芯材の中心軸に垂直な断面の形状が、当該コイルにおける前記巻回線の巻回面に平行な長辺を有する長方形であり、前記被覆材が、前記長辺の少なくとも一方を前記巻回方向に沿って被覆している。 In order to solve the above problem, the invention described in claim 2 is the coil described in claim 1, in which the shape of the cross section perpendicular to the central axis of the core material is a rectangle having long sides parallel to the winding surface of the winding wire in the coil, and the coating material covers at least one of the long sides along the winding direction.
請求項2に記載の発明によれば、請求項1に記載の発明の作用に加えて、芯材の中心軸に垂直な断面が、コイルにおける巻回線の巻回面に平行な長辺を有する長方形であり、被覆材が当該長辺の少なくとも一方を巻回方向に沿って被覆しているので、コイルの軽量化及び低コスト化を促進することができる。 According to the invention described in claim 2, in addition to the effect of the invention described in claim 1, the cross section perpendicular to the central axis of the core material is a rectangle having long sides parallel to the winding surface of the winding wire in the coil, and the coating material covers at least one of the long sides along the winding direction, which promotes weight reduction and cost reduction of the coil.
上記の課題を解決するために、請求項3に記載の発明は、請求項2に記載のコイルにおいて、前記被覆材が、二つの前記長辺を前記巻回方向に沿って被覆している。 To solve the above problem, the invention described in claim 3 is the coil described in claim 2, in which the coating material coats the two long sides along the winding direction.
請求項3に記載の発明によれば、請求項2に記載の発明の作用に加えて、芯材の断面における二つの長辺を被覆材が巻回方向に沿って被覆しているので、損失の低減を促進することができる。 According to the invention described in claim 3, in addition to the effect of the invention described in claim 2, the two long sides in the cross section of the core material are covered with the covering material along the winding direction, which can promote loss reduction.
上記の課題を解決するために、請求項4に記載の発明は、請求項2又は請求項3に記載のコイルにおいて、前記被覆材が前記芯材の表面の全てを被覆している。 To solve the above problem, the invention described in claim 4 is the coil described in claim 2 or claim 3, in which the coating material covers the entire surface of the core material.
請求項4に記載の発明によれば、請求項2又は請求項3に記載の発明の作用に加えて、被覆材が芯材の表面の全てを被覆しているので、損失の低減を更に促進することができる。 According to the invention described in claim 4, in addition to the effects of the invention described in claim 2 or 3, the coating material covers the entire surface of the core material, which can further promote loss reduction.
上記の課題を解決するために、請求項5に記載の発明は、請求項1から請求項4のいずれか一項に記載のコイルにおいて、前記芯材がアルミニウム製の芯材であり、前記被覆材が銅製の被覆材であるように構成される。 In order to solve the above problem, the invention described in claim 5 is a coil described in any one of claims 1 to 4 , wherein the core material is an aluminum core material and the coating material is a copper coating material.
請求項5に記載の発明によれば、請求項1から請求項4のいずれか一項に記載の発明の作用に加えて、芯材がアルミニウム製の芯材であり、被覆材が銅製の被覆材であるので、伝送効率の向上及び動作温度の上昇の防止と、コイルとしての軽量化及び低コスト化と、を効果的に両立させることができる。 According to the invention described in claim 5 , in addition to the effect of the invention described in any one of claims 1 to 4 , since the core material is made of aluminum and the coating material is made of copper, it is possible to effectively achieve both improved transmission efficiency and prevention of increases in operating temperature, as well as reduced weight and cost of the coil.
上記の課題を解決するために、請求項6に記載の発明は、送電装置と、当該送電装置から離隔した受電装置と、により構成され、前記送電装置から非接触で前記受電装置に電力を伝送する電力伝送システムに含まれる前記送電装置において、請求項1から請求項5のいずれか一項に記載の前記コイルである送電コイルであって、前記受電装置に対向して配置される送電コイルと、伝送すべき電力を前記送電コイルに出力する出力手段と、を備える。 In order to solve the above problem, the invention described in claim 6 provides a power transmission system including a power transmission device and a power receiving device spaced apart from the power transmission device, and which transmits power from the power transmission device to the power receiving device in a non-contact manner, the power transmission device comprising a power transmission coil which is the coil described in any one of claims 1 to 5 , the power transmission coil being arranged opposite the power receiving device, and an output means which outputs the power to be transmitted to the power transmission coil.
上記の課題を解決するために、請求項7に記載の発明は、送電装置と、当該送電装置から離隔した受電装置と、により構成され、前記送電装置から非接触で前記受電装置に電力を伝送する電力伝送システムに含まれる前記受電装置において、請求項1から請求項5のいずれか一項に記載の前記コイルである受電コイルであって、前記送電装置に対向して配置される受電コイルと、当該受電コイルに接続された入力手段と、を備える。 In order to solve the above problem, the invention described in claim 7 is a power receiving device included in a power transmission system composed of a power transmitting device and a power receiving device separated from the power transmitting device, and which transmits power from the power transmitting device to the power receiving device in a non-contact manner, the power receiving device comprising a power receiving coil which is the coil described in any one of claims 1 to 5 , the power receiving coil being arranged opposite the power transmitting device, and an input means connected to the power receiving coil.
上記の課題を解決するために、請求項8に記載の発明は、請求項6に記載の送電装置と、当該送電装置から離隔し、且つ前記送電コイルに対向して配置される受電装置であって、前記送電装置から送信された電力を受電する受電装置と、を備える。 In order to solve the above problem, the invention described in claim 8 comprises a power transmission device described in claim 6 , and a power receiving device that is spaced apart from the power transmission device and faces the power transmission coil, and receives power transmitted from the power transmission device.
上記の課題を解決するために、請求項9に記載の発明は、送電装置と、請求項7に記載の受電装置であって、前記送電装置から離隔し且つ前記受電コイルが当該送電装置に対向して配置され、前記送電装置から送信された電力を受電する受電装置と、を備える。
ことを特徴とする非接触型の電力伝送システム。
In order to solve the above problem, the invention described in claim 9 comprises a power transmitting device and a power receiving device described in claim 7 , which is positioned away from the power transmitting device and has the power receiving coil facing the power transmitting device, and receives power transmitted from the power transmitting device.
A non-contact power transmission system.
請求項6から請求項9のいずれか一項に記載の発明によれば、電力伝送システムを構成する送電装置に備えられた送電コイル又は受電装置に備えられた受電コイルの少なくともいずれか一方が請求項1から請求項5のいずれか一項に記載のコイルであるので、当該送電コイル又は当該受電コイルを対向させて非接触型の電力伝送を行った場合に、上記損失の低減に起因する伝送効率の向上及び動作温度の上昇の防止と、コイルとしての軽量化及び低コスト化と、を両立させることができる。また、被覆材の厚さが、電力伝送に用いられる電流の周波数における表皮効果が表れる表皮厚さの半分以下の厚さであるので、電力伝送によってコイルに発生する表皮効果に起因する交流抵抗を効果的に低減することができる。 According to the invention described in any one of claims 6 to 9 , at least one of the power transmitting coil provided in the power transmitting device or the power receiving coil provided in the power receiving device constituting the power transmission system is the coil described in any one of claims 1 to 5 , so that when the power transmitting coil or the power receiving coil is placed opposite each other to perform non-contact power transmission, it is possible to achieve both improved transmission efficiency due to the reduction in loss and prevention of an increase in operating temperature, as well as reduced weight and cost of the coil. In addition, since the thickness of the covering material is equal to or less than half the skin depth at which the skin effect appears at the frequency of the current used for power transmission, it is possible to effectively reduce the AC resistance caused by the skin effect generated in the coil due to power transmission.
上記の課題を解決するために、請求項10に記載の発明は、請求項1から請求項5のいずれか一項に記載のコイルの製造方法であって、前記芯材となる金属板を打ち抜くことにより前記芯材を製造する芯材製造工程と、前記製造された芯材における被覆されるべき部分に、電気めっき法により前記被覆材を形成する被覆材形成工程と、を含み、前記被覆材形成工程においては、前記被覆材の厚さが、前記電力伝送に用いられる電流の周波数における表皮効果が表れる表皮厚さの半分以下の厚さとなるように当該被覆材を形成する。
In order to solve the above problems, the invention described in
請求項10に記載の発明によれば、芯材製造工程と、被覆材形成工程と、を含むので、請求項1から請求項5のいずれか一項に記載のコイルと効率的に製造できる。
According to the invention as set forth in
本発明によれば、巻回方向に巻回された巻回線が、金属製の芯材及び被覆材からなり、芯材の密度が被覆材の密度より低く、被覆材の導電率が芯材の導電率より高い。 According to the present invention, the winding wire wound in the winding direction is made of a metal core material and a coating material, the density of the core material is lower than the density of the coating material, and the conductivity of the coating material is higher than the conductivity of the core material.
従って、巻回線の表面に近い部分の導電率が高い一方、巻回線の中心に近い芯材の密度が被覆材の密度よりも低いので、コイルとしての損失の低減による伝送効率の向上及び動作温度の上昇の防止と、コイルとしての軽量化及び低コスト化と、を両立させることができる。また、被覆材の厚さが、電力伝送に用いられる電流の周波数における表皮効果が表れる表皮厚さの半分以下の厚さであるので、電力伝送によってコイルに発生する表皮効果に起因する交流抵抗を効果的に低減することができる。 Therefore, while the electrical conductivity is high near the surface of the winding, the density of the core material near the center of the winding is lower than the density of the coating material, so that it is possible to improve transmission efficiency by reducing loss in the coil and prevent an increase in operating temperature, while also achieving a lightweight and low-cost coil. Also, because the thickness of the coating material is less than half the skin depth at which the skin effect appears at the frequency of the current used in power transmission, it is possible to effectively reduce the AC resistance caused by the skin effect that occurs in the coil due to power transmission.
次に、本発明を実施するための形態について、図1乃至図3を用いて説明する。なお、以下に説明する実施形態及び変形形態は、電気自動車に搭載されている充電池を充電するための電力を、当該充電池を備えた電気自動車に対して磁界共鳴方式により非接触で伝送する電力伝送システムに対して、本発明を適用した場合の実施形態及び変形形態である。 Next, a description will be given of an embodiment of the present invention with reference to Figs. 1 to 3. The embodiment and modified embodiment described below are embodiments and modified embodiments in which the present invention is applied to a power transmission system that transmits power for charging a rechargeable battery mounted on an electric vehicle to the electric vehicle equipped with the rechargeable battery in a non-contact manner using magnetic resonance.
ここで、実施形態及び変形形態の磁界共鳴方式による電力伝送システムは、電力を送る後述の送電コイルと、当該送電コイルから離隔して向き合うように(即ち対向するように)配置され且つ送電コイルから送られた電力を受電する後述の受電コイルと、を備える。 Here, the magnetic field resonance type power transmission system of the embodiment and modified form includes a power transmission coil (described below) that transmits power, and a power receiving coil (described below) that is disposed facing (i.e., opposite) the power transmission coil at a distance from the power transmission coil and receives the power transmitted from the power transmission coil.
(I)実施形態の電力伝送システムの全体構成及び動作について
先ず、実施形態の電力伝送システムの全体構成及び動作について、図1を用いて説明する。なお図1は、実施形態の電力伝送システムの概要構成を示すブロック図である。
(I) Overall configuration and operation of the power transmission system according to the embodiment
First, the overall configuration and operation of a power transmission system according to an embodiment will be described with reference to Fig. 1. Fig. 1 is a block diagram showing a schematic configuration of a power transmission system according to an embodiment.
図1に示すように、実施形態の電力伝送システムSは、受電部RV及び上記受電コイルRCを備えた受電装置Rと、送電部TR及び上記送電コイルTCを備えた送電装置Tと、により構成されている。このとき受電装置Rは上記電気自動車に搭載され、且つ当該電気自動車に搭載されている図示しない蓄電池に接続されている。一方送電装置Tは、当該電気自動車が移動又は停車する位置の地面に設置されている。そして、当該蓄電池を充電する場合、受電装置Rの受電コイルRCと送電装置Tの送電コイルTCとが対向するように電気自動車が運転又は停車される。なお、実施形態の電力伝送システムSによる上記蓄電池の充電に際しては、停車している電気自動車に搭載されている受電装置Rに対して、その停車位置の下方の地面に設置された送電装置Tの送電コイルTCを介して、当該送電装置Tから電力を伝送するように構成することができる。またこの他、移動中の電気自動車に搭載されている受電装置Rに対して、その電気自動車が移動している道路の一定距離の区間に設置された複数の送電装置Tの送電コイルTCを介して、当該送電装置Tから連続的に電力を伝送するように構成してもよい。このとき、送電部TRが本発明の「出力手段」の一例に相当し、受電部RVが本発明の「入力手段」の一例に相当する。 As shown in FIG. 1, the power transmission system S of the embodiment is composed of a power receiving device R having a power receiving unit RV and the above-mentioned power receiving coil RC, and a power transmitting device T having a power transmitting unit TR and the above-mentioned power transmitting coil TC. At this time, the power receiving device R is mounted on the electric vehicle and is connected to a storage battery (not shown) mounted on the electric vehicle. On the other hand, the power transmitting device T is installed on the ground at a position where the electric vehicle moves or stops. When charging the storage battery, the electric vehicle is driven or stopped so that the power receiving coil RC of the power receiving device R and the power transmitting coil TC of the power transmitting device T face each other. Note that when charging the storage battery by the power transmission system S of the embodiment, it can be configured to transmit power from the power transmitting device T to the power receiving device R mounted on the stopped electric vehicle via the power transmitting coil TC of the power transmitting device T installed on the ground below the stopping position. Alternatively, the power receiving device R mounted on a moving electric vehicle may be configured to continuously transmit power from the power transmitting device T via the power transmitting coils TC of multiple power transmitting devices T installed in a section of a certain distance on the road on which the electric vehicle is traveling. In this case, the power transmitting unit TR corresponds to an example of the "output means" of the present invention, and the power receiving unit RV corresponds to an example of the "input means" of the present invention.
一方上記送電コイルTCには、受電装置Rに送電すべき電力が送電部TRから入力される。これにより送電コイルTCは、当該電力を磁界共鳴方式により受電コイルRCに送電する。このとき、送電コイルTC及び受電コイルRCが本発明の「コイル」の一例にそれぞれ相当する。 Meanwhile, the power to be transmitted to the power receiving device R is input from the power transmitting unit TR to the power transmitting coil TC. As a result, the power transmitting coil TC transmits the power to the power receiving coil RC by the magnetic field resonance method. At this time, the power transmitting coil TC and the power receiving coil RC each correspond to an example of a "coil" in the present invention.
以上の構成において、送電装置Tの送電部TRは、例えば電力伝送システムSが用いられる国における電波法等の法規等に対応しつつ、受電装置Rに伝送すべき上記電力を送電コイルTCに出力する。これにより送電コイルTCは、出力された電力を磁界共鳴方式により受電コイルRCに送電する。このときに対応すべき法規等は、例えば人体への影響を考慮して漏洩磁界が予め決められた所定のレベル以下になるように規制している。また、全ての送電装置Tと受電装置Rとの間における相互接続利用が可能となるためには、結果的に、両者が予め決められた所定範囲の周波数を利用する必要があり、このため上記所定範囲の周波数又は周波数帯域は、上記法規等としてのISO(International Organization for Standardization)又はIEC(International Electrotechnical Commission)等の国際機関の推奨に従う必要がある。また、送電コイルTCと受電コイルRCとの間の所定の位置ずれも考慮した伝送効率の下限値も上記国際機関により規定されているため、電力伝送システムSとしても高い電力の伝送効率が要求される。 In the above configuration, the power transmission unit TR of the power transmission device T outputs the power to be transmitted to the power receiving device R to the power transmission coil TC while complying with laws and regulations such as the Radio Act in the country in which the power transmission system S is used. As a result, the power transmission coil TC transmits the output power to the power receiving coil RC by a magnetic field resonance method. The laws and regulations to be complied with at this time regulate the leakage magnetic field to be below a predetermined level, taking into account the effects on the human body. In addition, in order to enable interconnection between all the power transmission devices T and the power receiving devices R, it is necessary for both to use a predetermined range of frequencies, and therefore the predetermined range of frequencies or frequency bands must follow the recommendations of international organizations such as ISO (International Organization for Standardization) or IEC (International Electrotechnical Commission) as the laws and regulations. In addition, the lower limit of the transmission efficiency taking into account a predetermined positional deviation between the power transmission coil TC and the power receiving coil RC is also specified by the international organization, so that the power transmission system S is also required to have a high power transmission efficiency.
そして、上記磁界共鳴方式により送電コイルTCからの上記電力を受電した受電装置Rの受電コイルRCは、当該受電した電力を受電部RVに出力する。これにより受電部RVは、当該電力に対応した出力(例えば、後述するように85キロヘルツの高周波電力となる)を、例えば図示しない電力変換ユニットによりDC(直流)電流に変換し、電気自動車の蓄電池に出力する。以上の受電装置Rの構成により、当該蓄電池には必要量の電力が充電される。 The receiving coil RC of the power receiving device R, which receives the power from the power transmitting coil TC by the magnetic field resonance method, outputs the received power to the power receiving unit RV. As a result, the power receiving unit RV converts the output corresponding to the power (for example, high-frequency power of 85 kHz as described below) into a DC (direct current) current, for example, by a power conversion unit (not shown), and outputs it to the storage battery of the electric vehicle. With the above configuration of the power receiving device R, the storage battery is charged with the required amount of power.
(II)送電コイルTC(受電コイルRC)の構成について
次に、上述した実施形態の電力伝送システムSに用いられる、実施形態の送電コイルTC及び受電コイルRCの構成について、図2を用いて説明する。なお、実施形態の送電コイルTCと受電コイルRCとは、基本的に同じ構成を備える。よって以下の説明では、送電コイルTCについて、その構造を説明する。また、図2は実施形態の送電コイルTCの構造を示す平面図であり、送電装置Tにおいて、受電装置R側から送電コイルTCを見た場合(図1参照)の平面図である。
(II) Configuration of the transmitting coil TC (receiving coil RC)
Next, the configuration of the power transmitting coil TC and the power receiving coil RC of the embodiment used in the power transmission system S of the above-mentioned embodiment will be described with reference to FIG. 2. The power transmitting coil TC and the power receiving coil RC of the embodiment basically have the same configuration. Therefore, in the following description, the structure of the power transmitting coil TC will be described. FIG. 2 is a plan view showing the structure of the power transmitting coil TC of the embodiment, and is a plan view of the power transmitting coil TC as viewed from the power receiving device R side in the power transmitting device T (see FIG. 1).
図2にその平面図を示すように、実施形態の送電コイルTCは、並行して巻回された後述する二本の例えば銅薄膜線TL1及び銅薄膜線TL2が、絶縁性のフィルムBF(詳細は後述する)上に積層されて構成される。この構成において、銅薄膜線TL1及び銅薄膜線TL2のそれぞれが、本発明の「巻回線」の一例に相当する。ここで実施形態では、送電コイルTCの積層のためにフィルムBFを用いているが、これらの他に、ガラスエポキシ材料等の絶縁性の材料を用いることもできる。また、送電コイルTCとして発生した熱を効率良く放熱するため、例えばセラミック粒子等を分散した薄膜化材料を用いることもできる。更にまた、銅薄膜線TL1及び銅薄膜線TL2の巻回の中心は、各巻回において相互に同一又は略同一とされている。 As shown in the plan view of FIG. 2, the power transmission coil TC of the embodiment is configured by stacking two parallel-wound copper thin-film wires, for example, copper thin-film wire TL1 and copper thin-film wire TL2, on an insulating film BF (described in detail later). In this configuration, each of the copper thin-film wire TL1 and copper thin-film wire TL2 corresponds to an example of a "winding line" of the present invention. In this embodiment, the film BF is used to stack the power transmission coil TC, but other insulating materials such as glass epoxy materials can also be used. In addition, in order to efficiently dissipate heat generated by the power transmission coil TC, a thin-film material in which ceramic particles are dispersed, for example, can also be used. Furthermore, the centers of winding of the copper thin-film wire TL1 and the copper thin-film wire TL2 are the same or approximately the same in each winding.
図2に示すように、送電コイルTCは、同じ層内を相互に並行して巻回されている上記銅薄膜線TL1及び上記銅薄膜線TL2により構成されており、その最外周部の一辺に、銅薄膜線TL1及び銅薄膜線TL2を接続すると共に銅薄膜線TL1及び銅薄膜線TL2を送電部TRに接続するための外部接続端子O1及び外部接続端子O2を有している。そして送電コイルTCは、並行する銅薄膜線TL1及び銅薄膜線TL2が、上記外部接続端子O1の位置(図2に示す場合は右辺部)から反時計方向に四回転(4ターン)巻回されて構成されており、銅薄膜線TL1及び銅薄膜線TL2それぞれの他端部が、上記巻回における最内周部から最外周部(図2に示す場合は右辺部)に引き出され、上記外部接続端子O2とされている。このとき、銅薄膜線TL1及び銅薄膜線TL2の交差部分(図2右下部に破線で示されている交差部分)では、フィルムBF又は他の絶縁層を挟んだ積層構造或いはジャンパ線を用いる方法等により、交差対象の銅薄膜線TL1及び銅薄膜線TL2同士が絶縁されつつ相互に交差されている。また、図2に例示する場合の銅薄膜線TL1及び銅薄膜線TL2のそれぞれは、全周に渡って同一幅及び同一厚さとされている。更に銅薄膜線TL1及び銅薄膜線TL2としては、図2におけるその上辺部、下辺部、左辺部及び右辺部それぞれに直線部が設けられており、それぞれの直線部が、略同心円弧状の曲線部により接続されている。なお、実施形態の送電コイルTCにおいては、図2に示す銅薄膜線TL1の幅W1と銅薄膜線TL2の幅W2との関係は、送電コイルTCの全体に渡って幅W1<幅W2とされており、これにより、送電コイルTC又は受電コイルRCにおける後述する交流抵抗の低減を図っている。 2, the power transmission coil TC is composed of the copper thin film wire TL1 and the copper thin film wire TL2 wound in parallel to each other in the same layer, and has an external connection terminal O1 and an external connection terminal O2 on one side of the outermost circumference to connect the copper thin film wire TL1 and the copper thin film wire TL2 and to connect the copper thin film wire TL1 and the copper thin film wire TL2 to the power transmission unit TR. The power transmission coil TC is composed of the parallel copper thin film wire TL1 and the copper thin film wire TL2 wound counterclockwise four times (four turns) from the position of the external connection terminal O1 (the right side in the case shown in FIG. 2), and the other end of each of the copper thin film wire TL1 and the copper thin film wire TL2 is drawn from the innermost circumference to the outermost circumference (the right side in the case shown in FIG. 2) in the winding, and is formed as the external connection terminal O2. At the intersections of the copper thin film wires TL1 and TL2 (intersections shown by dashed lines in the lower right of FIG. 2), the copper thin film wires TL1 and TL2 are insulated from each other and cross each other by a laminated structure sandwiching a film BF or other insulating layer, or by a method using a jumper wire, etc. In addition, the copper thin film wires TL1 and TL2 in the example shown in FIG. 2 each have the same width and thickness over the entire circumference. Furthermore, the copper thin film wires TL1 and TL2 each have straight line portions on the upper, lower, left and right sides in FIG. 2, and the straight line portions are connected by curved portions of approximately concentric arcs. In the embodiment of the power transmission coil TC, the relationship between the width W1 of the copper thin film wire TL1 and the width W2 of the copper thin film wire TL2 shown in FIG. 2 is such that the width W1 is smaller than the width W2 throughout the power transmission coil TC, thereby reducing the AC resistance in the power transmission coil TC or the power receiving coil RC, as described below.
次に、銅薄膜線TL1及び銅薄膜線TL2それぞれの構造について、関連する第1変形形態の銅薄膜線及び第2変形形態の銅薄膜線それぞれの構造と共に、図3を用いて説明する。なお図3は、実施形態の送電コイルTCの構造等を示す断面図である。 Next, the structure of each of the copper thin film wires TL1 and TL2 will be described with reference to FIG. 3, along with the structures of the related copper thin film wires of the first and second modified forms. FIG. 3 is a cross-sectional view showing the structure of the power transmission coil TC of the embodiment.
先ず、実施形態の送電コイルTCを構成する銅薄膜線TL1及び銅薄膜線TL2それぞれの構造について、銅薄膜線TL2を代表として、図3(a)を用いて説明する。なお、銅薄膜線TL1の断面構造は、その幅W1を除いて銅薄膜線TL2の断面構造と同一である。 First, the structures of the copper thin film wire TL1 and the copper thin film wire TL2 constituting the power transmission coil TC of the embodiment will be described with reference to FIG. 3(a), with the copper thin film wire TL2 as a representative. The cross-sectional structure of the copper thin film wire TL1 is the same as the cross-sectional structure of the copper thin film wire TL2, except for its width W1.
ここで、実施形態の電力伝送システムSにより送電コイルTCから受電コイルRCに伝送される電力の上記周波数は、例えば法律により予め定められている。より具体的に、実施形態の電力伝送システムSによる電力伝送(即ち、上記電気自動車に対する電力伝送)の場合には、85キロヘルツの高周波とされている。このとき、高周波の電流を導体に流すと、その電流密度は、導体の表面で高く、表面からその中心に向かうほど低くなることが知られている。またこの点については、電流の周波数が高くなるほど電流が表面へ集中することとなるので、この結果として、その導体の交流抵抗は高くなってしまう。この現象は、いわゆる「導体の表皮効果」として知られているところである。なお以下の説明において、高周波の電流を導体に流す際の当該導体における上記交流抵抗を、単に「インピーダンス」と称する。そして、実施形態の電力伝送システムSによる電力伝送において、上記85キロヘルツの高周波の電流を用いつつ高出力の電力を伝送しようとすると、当該高出力の電力(電流)を流す結果として上記表皮効果によって銅薄膜線TL1及び銅薄膜線TL2の抵抗が更に高くなることで、上記ジュール熱に起因する損失が大きくなり、この点でも当該電力伝送としての効率を低下させてしまう。 Here, the frequency of the power transmitted from the power transmission coil TC to the power receiving coil RC by the power transmission system S of the embodiment is predetermined, for example, by law. More specifically, in the case of power transmission by the power transmission system S of the embodiment (i.e., power transmission to the electric vehicle), the frequency is set to a high frequency of 85 kHz. At this time, it is known that when a high-frequency current flows through a conductor, the current density is high on the surface of the conductor and decreases from the surface toward the center. In addition, in this regard, the higher the frequency of the current, the more the current is concentrated on the surface, and as a result, the AC resistance of the conductor increases. This phenomenon is known as the so-called "skin effect of the conductor". In the following description, the AC resistance of the conductor when a high-frequency current flows through the conductor is simply referred to as "impedance". Furthermore, in the power transmission by the power transmission system S of the embodiment, if an attempt is made to transmit high-output power using the high-frequency current of 85 kHz, the resistance of the copper thin-film wire TL1 and the copper thin-film wire TL2 will become even higher due to the skin effect as a result of passing the high-output power (current), and the loss due to Joule heat will increase, which will also reduce the efficiency of the power transmission.
また、上記表皮効果と同様に高周波によるワイヤレス電力伝送としての効率を低下させてしまう電気的な現象としては、それぞれの巻回において銅薄膜線TL1又は銅薄膜線TL2同士が近接することに起因する、いわゆる「導体の近接効果」が挙げられる。よって、この近接効果によるインピーダンスの上昇についても、対策を講じる必要がある。 Another electrical phenomenon that reduces the efficiency of wireless power transmission using high frequencies, similar to the skin effect, is the so-called "conductor proximity effect," which occurs when the copper thin-film wires TL1 or TL2 are in close proximity to each other in each winding. Therefore, measures must be taken to prevent the increase in impedance caused by this proximity effect.
そこで、実施形態の送電コイルTCを構成する銅薄膜線TL2は、図3(a)にその断面図を示すように、送電コイルTCの全周に渡って、フィルムBFの側から順に、被覆材としての銅薄膜2、芯材としてのアルミニウム薄膜10及び被覆材としての銅薄膜1が積層されて構成されている。即ち、銅薄膜線TL2では、上記表皮効果又は上記近接効果によるインピーダンスの増大が一般に大きくなるとされている銅薄膜線TL2の表面(表裏両面)を、銅薄膜1及び銅薄膜2(即ち、アルミニウム薄膜10より導電率が高い銅薄膜1及び銅薄膜2)により形成することで、当該インピーダンスの増大を抑制している。これに加えて、銅薄膜線TL2では、上記表皮効果又は上記近接効果によるインピーダンスの増大が小さいとされる銅薄膜線TL2の中心に近い部分を、アルミニウム薄膜10(即ち、銅薄膜1及び銅薄膜2より密度が低いアルミニウム薄膜10)により形成することで、銅薄膜線TL2(即ち結果的に送電コイルTC)の軽量化と低コスト化を図っている。このとき、銅薄膜1及び銅薄膜2それぞれの厚さは、銅薄膜線TL2の表面における上記表皮効果及び上記近接効果が表れる表皮部分の厚さの半分以下の厚さとして、例えば25マイクロメートルとされている。これに対し、アルミニウム薄膜10の厚さは例えば500マイクロメートルとされている。そして、銅薄膜線TL2が銅薄膜2の面でフィルムBFに例えば接着されることにより、送電コイルTCが構成されている。
Therefore, the copper thin film wire TL2 constituting the power transmission coil TC of the embodiment is configured by laminating, in order from the film BF side, a copper thin film 2 as a coating material, an aluminum
なお、実施形態の銅薄膜線TL1及び銅薄膜線TL2それぞれの断面構造については、複数の変形形態の断面構造が採用し得るので、これらの変形形態を、銅薄膜線TL2に対応する銅薄膜線を代表として図3(b)乃至図3(d)を用いてそれぞれ説明する。なお、銅薄膜線TL1に対応する各変形形態の銅薄膜線の断面構造は、その幅を除いて、銅薄膜線TL2に対応する各変形形態の銅薄膜線の断面構造と同一である。また、図3(b)乃至図3(d)において、実施形態の送電コイルTCと同様の鋼製部材については、同一の部材番号を付して細部の説明は省略する。 Note that multiple modified cross-sectional structures can be adopted for the copper thin film wire TL1 and copper thin film wire TL2 of the embodiment, and these modified cross-sectional structures are described using Figs. 3(b) to 3(d) with the copper thin film wire corresponding to copper thin film wire TL2 as a representative. Note that the cross-sectional structure of each modified copper thin film wire corresponding to copper thin film wire TL1 is the same as the cross-sectional structure of each modified copper thin film wire corresponding to copper thin film wire TL2, except for its width. Also, in Figs. 3(b) to 3(d), the same steel members as those in the power transmission coil TC of the embodiment are given the same member numbers and detailed descriptions are omitted.
即ち第1変形形態として、その断面を図3(b)に示すように、第1変形形態の銅薄膜線TL2aは、第1変形形態の送電コイルの全周に渡って、フィルムBFの側から順に、アルミニウム薄膜10及び銅薄膜3が積層されて構成されている。そして、銅薄膜3の厚さは例えば100マイクロメートルであり、アルミニウム薄膜10の厚さは実施形態の銅薄膜線TL2と同様に例えば500マイクロメートルとされている。このとき、第1変形形態の銅薄膜線TL2aは、上記表皮効果及び上記近接効果の影響を受け易い銅薄膜線TL2aの一方の面にのみ、銅薄膜3が積層されている。そして、銅薄膜線TL2aがアルミニウム薄膜10の面でフィルムBFに例えば接着されることにより、第1変形形態の送電コイルが構成されている。
That is, as the first modified form, as shown in the cross section of FIG. 3(b), the copper thin film wire TL2a of the first modified form is configured by laminating an aluminum
また第2変形形態として、その断面を図3(c)に示すように、第2変形形態の銅薄膜線TL2bは、第2変形形態の送電コイルの全周に渡って、フィルムBFの側から順に、銅薄膜4、アルミニウム薄膜10及び銅薄膜3が積層されて構成されている。そして、銅薄膜3及び銅薄膜4それぞれの厚さは例えば100マイクロメートルであり、アルミニウム薄膜10の厚さは例えば500マイクロメートルとされている。このとき、第2変形形態の銅薄膜線TL2bは、実施形態の銅薄膜線TL2と同様に、上記表皮効果及び上記近接効果の影響を受け易い銅薄膜線TL2aの二つの面に、実施形態の銅薄膜線TL2とは異なる厚さの銅薄膜3及び銅薄膜4がそれぞれ積層されている。そして、銅薄膜線TL2bが銅薄膜4の面でフィルムBFに例えば接着されることにより、第2変形形態の送電コイルが構成されている。
As a second modified form, as shown in FIG. 3(c), the copper thin film wire TL2b of the second modified form is constructed by laminating a copper thin film 4, an aluminum
最後に第3変形形態として、その断面を図3(d)に示すように、第3変形形態の銅薄膜線TL2cは、第3変形形態の送電コイルの全周に渡って、アルミニウム薄膜10の周囲全部が銅薄膜5により被覆されており、その状態のアルミニウム薄膜10及び銅薄膜5がフィルムBF上に接着/積層されて構成されている。銅薄膜5の厚さは例えば100マイクロメートルであり、アルミニウム薄膜10の厚さは例えば500マイクロメートルとされている。
Finally, as a third modified form, as shown in the cross section of FIG. 3(d), the copper thin film wire TL2c of the third modified form has the entire periphery of the aluminum
(III)送電コイルTC(受電コイルRC)の製造方法について
次に、実施形態の送電コイルTCの製造方法について、図4を用いてその概要を説明する。なお、以下に説明する製造方法は、送電コイルTCと同様の構成を備える受電コイルRCの製造方法としても採用することができる。また図4は、実施形態の送電コイルの製造方法を示すフローチャートである。
(III) Manufacturing method of the power transmission coil TC (power receiving coil RC)
Next, an outline of a method for manufacturing the power transmission coil TC according to the embodiment will be described with reference to Fig. 4. The manufacturing method described below can also be used as a method for manufacturing a power receiving coil RC having a similar configuration to the power transmission coil TC. Fig. 4 is a flowchart showing the method for manufacturing the power transmission coil according to the embodiment.
より具体的に、送電コイルTCの製造方法としては、下記(a)乃至(d)の各工程を含む製造方法を用いることができる。 More specifically, the method for manufacturing the transmission coil TC can include the following steps (a) to (d).
(a)アルミニウム薄膜10の厚さと同じ厚さ(例えば500マイクロメートル)のアルミニウム薄膜材を例えば打抜き法により打抜き、銅薄膜線TL1及び銅薄膜線TL2それぞれの芯材に相当するアルミニウム薄膜10を製造する(ステップS1)。なお、このステップS1は、第1変形形態の銅薄膜線TL2a乃至第3変形形態の銅薄膜線TL2cそれぞれを製造する場合において同様である。
(a) An aluminum thin film material having the same thickness as the aluminum thin film 10 (e.g., 500 micrometers) is punched out, for example, by a punching method, to produce an aluminum
(b)ステップS1で製造されたアルミニウム薄膜10の図3(a)における上下の表面に、例えば電気めっき法により必要な厚さ(例えば25マイクロメートル)の銅薄膜1及び銅薄膜2を成膜する(ステップS2)。なお、第1変形形態の銅薄膜線TL2aを製造する場合における上記ステップS2では、アルミニウム薄膜10の図3(b)における上面にのみ、例えば厚さ100マイクロメートルの銅薄膜3を成膜することになる。また、第2変形形態の銅薄膜線TL2bを製造する場合における上記ステップS2では、アルミニウム薄膜10の図3(c)における上下の表面に例えばそれぞれ厚さ100マイクロメートルの銅薄膜3及び銅薄膜4をそれぞれ成膜することになる。更に、第3変形形態の銅薄膜線TL2cを製造する場合における上記ステップS2では、アルミニウム薄膜10の周表面全体に必要な厚さの銅薄膜5を成膜することになる。
(b) The copper thin film 1 and copper thin film 2 are formed to the required thickness (e.g., 25 micrometers) by, for example, electroplating on the upper and lower surfaces in FIG. 3(a) of the aluminum
(c)上記(b)で製造された銅薄膜線TL2を、フィルムBF上の対応する位置に例えば接着し、実施形態の送電コイルTCとする(ステップS3)。 (c) The copper thin film wire TL2 manufactured in (b) above is, for example, glued to a corresponding position on the film BF to form the transmission coil TC of the embodiment (step S3).
(d)上記(c)で製造された送電コイルTCの外部接続端子O1及び外部接続端子O2と、送電部TRとを接続する(ステップS4)。 (d) Connect the external connection terminals O1 and O2 of the power transmission coil TC manufactured in (c) above to the power transmission unit TR (step S4).
次に、図2及び図3(a)に示す構造を有する実施形態の銅薄膜線TL1及び銅薄膜線TL2を備える送電コイルTC及び受電コイルRCの当該構造による効果として、銅薄膜線TL1及び銅薄膜線TL2それぞれの全体の厚さと、当該送電コイルTC及び当該受電コイルRCを含む実施形態の電力伝送システムSによる電力伝送におけるQ値との関係について、図5及び以下の表1を用いて説明する。なお図5は、実施形態の送電コイルTC及び受電コイルRCの構造による効果としての銅薄膜線の全体の厚さとQ値との関係を示すグラフ図である。ここで図5には、図2及び図3(a)に示す構造(断面構造)を有する実施形態の送電コイルTC及び受電コイルRC、図3(b)に示す構造(断面構造)を有する第1変形形態の送電コイル及び受電コイル、並びに図3(c)に示す構造(断面構造)を有する第2変形形態の送電コイル及び受電コイルのそれぞれについて、銅薄膜線TL2、銅薄膜線TL2a及び銅薄膜線TL2bそれぞれの全体の厚さと、各送電コイルを用いた電力伝送における上記Q値との関係を計測した実験結果(シミュレーション結果)が示されている。またこれらと対比して、図5には、従来例の構造を有する送電コイル及び送電コイルを用いた電力伝送における当該Q値も示されている。 Next, as an effect of the structure of the power transmission coil TC and the power receiving coil RC including the copper thin film wire TL1 and the copper thin film wire TL2 of the embodiment having the structure shown in Figures 2 and 3(a), the relationship between the overall thickness of each of the copper thin film wire TL1 and the copper thin film wire TL2 and the Q value in power transmission by the power transmission system S of the embodiment including the power transmission coil TC and the power receiving coil RC will be described using Figure 5 and the following Table 1. Note that Figure 5 is a graph showing the relationship between the overall thickness of the copper thin film wire and the Q value as an effect of the structure of the power transmission coil TC and the power receiving coil RC of the embodiment. Here, Fig. 5 shows experimental results (simulation results) of measuring the relationship between the overall thickness of each of the copper thin film wire TL2, the copper thin film wire TL2a, and the copper thin film wire TL2b and the above-mentioned Q value in power transmission using each power transmission coil for each of the power transmission coil TC and the power receiving coil RC of the embodiment having the structure (cross-sectional structure) shown in Fig. 2 and Fig. 3(a), the power transmission coil and the power receiving coil of the first modified form having the structure (cross-sectional structure) shown in Fig. 3(b), and the power transmission coil and the power receiving coil of the second modified form having the structure (cross-sectional structure) shown in Fig. 3(c). In comparison with these, Fig. 5 also shows the Q value in power transmission using a power transmission coil and a power transmission coil having a conventional structure.
このとき、図5に上記実験結果が示されている従来例の銅薄膜線は、銅薄膜のみからなる従来例の銅薄膜線とアルミニウム薄膜のみからなる従来例の銅薄膜線である。そして、当該各銅薄膜線の幅は実施形態の銅薄膜線TL2と同じ幅W2とされ、それぞれの厚さについては、以下の表1に示されている。
そして、図5及び表1に示す通り、従来例の構造を有する送電コイル及び受電コイルに対して、実施形態並びに第1変形形態及び第2変形形態の銅薄膜線TL2等の方が、送電コイル及び受電コイルとしての軽量化を図りつつ、銅薄膜線のみからなる従来例と同等のQ値が得られていることが判る。更に、実施形態並びに第1変形形態及び第2変形形態の銅薄膜線TL2等はその表面が銅であることから、上記表皮効果及び上記近接効果を考慮した場合の導電率が低いことや入出力用のケーブルの接続性の問題も解決されている。 As shown in FIG. 5 and Table 1, compared to the transmitting coil and receiving coil having the conventional structure, the copper thin film wire TL2, etc. of the embodiment and the first and second modified forms are lighter as a transmitting coil and receiving coil, while achieving a Q value equivalent to that of the conventional example consisting of only copper thin film wire. Furthermore, since the copper thin film wire TL2, etc. of the embodiment and the first and second modified forms have a copper surface, the problem of low conductivity when the above-mentioned skin effect and the above-mentioned proximity effect are taken into account, and the problem of connectivity of the input/output cable is also solved.
以上説明したように、実施形態の送電コイルTC及び受電コイルRCの構造によれば、それぞれの巻回方向に巻回された銅薄膜線TL1及び銅薄膜線TL2が、芯材としてのアルミニウム薄膜10と被覆材としての銅薄膜1及び銅薄膜2からなり、アルミニウム薄膜10の密度が銅薄膜1及び銅薄膜2の密度より低く、銅薄膜1及び銅薄膜2の導電率がアルミニウム薄膜10の導電率より高いので、銅薄膜線TL1及び銅薄膜線TL2の表面に近い部分の導電率が高い一方、銅薄膜線TL1及び銅薄膜線TL2の中心に近い芯材の密度が被覆材の密度よりも低いので、いわゆる表皮効果又は近接効果によるインピーダンスの低減に起因する伝送効率の向上及び動作温度の上昇の防止と、コイルとしての軽量化及び低コスト化と、を両立させることができる。
As described above, according to the structure of the power transmission coil TC and the power receiving coil RC of the embodiment, the copper thin film wire TL1 and the copper thin film wire TL2 wound in the respective winding directions are composed of an aluminum
また、芯材としてのアルミニウム薄膜10の銅薄膜線TL1及び銅薄膜線TL2の中心軸に垂直な断面が、その巻回面に平行な長辺を有する長方形であり、被覆材としての銅薄膜1等が当該長辺の少なくとも一方を巻回方向に沿って被覆しているので(図3参照)、送電コイルTC及び受電コイルRCの軽量化及び低コスト化を促進することができる。
In addition, the cross section perpendicular to the central axis of the copper thin film wire TL1 and the copper thin film wire TL2 of the aluminum
更に、実施形態の銅薄膜線TL2及び第2変形形態の銅薄膜線TL2bの場合は、芯材の断面における二つの長辺を被覆材が巻回方向に沿って被覆しているので、インピーダンスの低減を促進することができる。 Furthermore, in the case of the copper thin film wire TL2 of the embodiment and the copper thin film wire TL2b of the second modified embodiment, the two long sides in the cross section of the core material are covered with the coating material along the winding direction, which can promote a reduction in impedance.
更にまた、第3変形形態の銅薄膜線TL2cの場合は、被覆材としての銅薄膜5が芯材としてのアルミニウム薄膜10の全周に渡って被覆されているので、インピーダンスの低減を更に促進することができる。
Furthermore, in the case of the third modified copper thin film wire TL2c, the copper thin film 5 as the coating material is coated all around the aluminum
更に、被覆材としての銅薄膜1等の厚さが、実施形態の電力伝送システムSによる電力伝送に用いられる電流の周波数(即ち85キロヘルツ)における表皮効果が表れる表皮厚さの半分以下の厚さ(即ち、25マイクロメートル乃至100マイクロメートル)であるので、当該電力伝送によるインピーダンスを効果的に低減することができる。 Furthermore, the thickness of the copper thin film 1 or the like used as the coating material is less than half the skin depth (i.e., 25 micrometers to 100 micrometers) at which the skin effect appears at the frequency of the current used in power transmission by the power transmission system S of the embodiment (i.e., 85 kilohertz), so that the impedance due to the power transmission can be effectively reduced.
更にまた、芯材がアルミニウム薄膜10であり、被覆材が銅薄膜1等であるので、伝送効率の向上及び動作温度の上昇の防止と、送電コイルTC及び受電コイルRCとしての軽量化及び低コスト化と、を効果的に両立させることができる。
Furthermore, since the core material is an aluminum
以上それぞれ説明したように、本発明は非接触の電力伝送の分野に利用することが可能であり、特に電気自動車に搭載された蓄電池を充電するための電力伝送の分野に適用すれば特に顕著な効果が得られる。 As explained above, the present invention can be used in the field of contactless power transmission, and particularly when applied to the field of power transmission for charging storage batteries installed in electric vehicles, it can produce particularly remarkable effects.
1、2、3、4、5 銅薄膜
10 アルミニウム薄膜
S 電力伝送システム
R 受電装置
RV 受電部
RC 送電コイル
T 送電装置
TR 送電部
TC 送電コイル
TL1、TL2、TL2a、TL2b、TL2c 銅薄膜線
BF フィルム
O1、O2 外部接続端子
1, 2, 3, 4, 5 Copper
Claims (10)
当該コイルにおける巻回方向に巻回された巻回線であって、
前記巻回方向に延在する金属製の芯材と、
前記芯材の表面の少なくとも一部を前記巻回方向に沿って被覆する金属製の被覆材と、
からなる巻回線を備え、
前記芯材の密度が前記被覆材の密度より低く、
前記被覆材の導電率が前記芯材の導電率より高く、
前記被覆材の厚さが、前記電力伝送に用いられる電流の周波数における表皮効果が表れる表皮厚さの半分以下の厚さであることを特徴とするコイル。 In a coil used for contactless power transmission,
A winding wire wound in a winding direction of the coil,
A metal core extending in the winding direction;
a metal covering material that covers at least a portion of the surface of the core material along the winding direction;
A winding comprising:
the density of the core material is lower than the density of the covering material,
the electrical conductivity of the coating material is higher than the electrical conductivity of the core material,
A coil characterized in that the thickness of the coating material is less than half the skin depth at which the skin effect appears at the frequency of the current used for the power transmission .
前記芯材の中心軸に垂直な断面の形状が、当該コイルにおける前記巻回線の巻回面に平行な長辺を有する長方形であり、
前記被覆材が、前記長辺の少なくとも一方を前記巻回方向に沿って被覆していることを特徴とするコイル。 2. The coil according to claim 1,
a cross-sectional shape perpendicular to a central axis of the core material is a rectangle having a long side parallel to a winding plane of the winding wire in the coil,
A coil characterized in that the covering material covers at least one of the long sides along the winding direction.
前記被覆材が、二つの前記長辺を前記巻回方向に沿って被覆していることを特徴とするコイル。 The coil according to claim 2,
A coil characterized in that the covering material covers the two long sides along the winding direction.
前記被覆材が前記芯材の表面の全てを被覆していることを特徴とするコイル。 The coil according to claim 2 or 3,
A coil, characterized in that the coating material covers the entire surface of the core material.
前記芯材がアルミニウム製の芯材であり、
前記被覆材が銅製の被覆材であることを特徴とするコイル。 The coil according to any one of claims 1 to 4,
The core material is an aluminum core material,
A coil characterized in that the coating material is made of copper .
請求項1から請求項5のいずれか一項に記載の前記コイルである送電コイルであって、前記受電装置に対向して配置される送電コイルと、
伝送すべき電力を前記送電コイルに出力する出力手段と、
を備えることを特徴とする送電装置。 A power transmission system includes a power transmission device and a power receiving device separated from the power transmission device, and transmits power from the power transmission device to the power receiving device in a non-contact manner.
6. The coil according to claim 1 , wherein the coil is a power transmitting coil arranged to face the power receiving device;
an output means for outputting power to be transmitted to the power transmitting coil;
A power transmitting device comprising :
請求項1から請求項5のいずれか一項に記載の前記コイルである受電コイルであって、前記送電装置に対向して配置される受電コイルと、
当該受電コイルに接続された入力手段と、
を備えることを特徴とする受電装置。 A power transmission system includes a power transmission device and a power receiving device that is separated from the power transmission device, and the power receiving device transmits power from the power transmission device to the power receiving device in a non-contact manner.
A power receiving coil according to any one of claims 1 to 5 , the power receiving coil being disposed opposite the power transmitting device;
An input means connected to the receiving coil;
A power receiving device comprising:
当該送電装置から離隔し、且つ前記送電コイルに対向して配置される受電装置であって、前記送電装置から送信された電力を受電する受電装置と、
を備えることを特徴とする非接触型の電力伝送システム。 The power transmitting device according to claim 6 ;
a power receiving device disposed away from the power transmitting device and facing the power transmitting coil, the power receiving device receiving the power transmitted from the power transmitting device;
A non-contact power transmission system comprising :
請求項7に記載の受電装置であって、前記送電装置から離隔し且つ前記受電コイルが当該送電装置に対向して配置され、前記送電装置から送信された電力を受電する受電装置と、
を備えることを特徴とする非接触型の電力伝送システム。 A power transmission device;
8. The power receiving device according to claim 7 , wherein the power receiving coil is disposed opposite the power transmitting device and away from the power transmitting device, and the power receiving device receives power transmitted from the power transmitting device;
A non-contact power transmission system comprising:
前記芯材となる金属板を打ち抜くことにより前記芯材を製造する芯材製造工程と、
前記製造された芯材における被覆されるべき部分に、電気めっき法により前記被覆材を形成する被覆材形成工程と、
を含み、
前記被覆材形成工程においては、前記被覆材の厚さが、前記電力伝送に用いられる電流の周波数における表皮効果が表れる表皮厚さの半分以下の厚さとなるように当該被覆材を形成することを特徴とするコイルの製造方法。 A method for manufacturing the coil according to any one of claims 1 to 5, comprising the steps of:
a core material manufacturing step of manufacturing the core material by punching a metal plate to be the core material;
a coating material forming step of forming the coating material on the portion of the manufactured core material to be coated by an electroplating method;
Including,
A method for manufacturing a coil, characterized in that in the coating material formation step, the coating material is formed so that the thickness of the coating material is less than half the skin depth at which the skin effect appears at the frequency of the current used for the power transmission .
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